低低溫電除塵技術適用性及污染物減排特性研究

劉含笑， 姚宇平， 酈建國， 何毓忠， 陳招妹

(浙江菲達環保科技股份有限公司,浙江諸暨 311800)

煤燃燒過程中產生的細顆粒物是造成近年來重污染灰霾天氣的重要原因之一[1]，國外發達國家有較嚴格的煙塵防治標準、政策及法規等，隨著我國燃煤電廠煙塵排放要求趨嚴，對煙塵處理技術也提出了更高的要求。針對電場中細顆粒物難荷電、高比電阻、反電暈等問題，國內外學者主要從改善顆粒物特性、強化電源荷電等方面入手，以提高電除塵器對細顆粒物的脫除效率。當前，國內實現燃煤電廠煙塵超低排放的技術主要有濕式電除塵技術、低低溫電除塵技術、超凈電袋復合除塵技術、高效協同除塵濕法脫硫技術等。日本MHI和Hitachi等公司通過在電除塵器前布置煙氣冷卻器，使煙氣溫度降低至90 ℃左右，減小了煙塵比電阻，優化了飛灰顆粒物特性，以提高電除塵器除塵效率[2-6]。由于低低溫電除塵技術兼具高效脫除細顆粒物、可凝結顆粒物(主要是SO3)及余熱回收節能效果好等優點，且投資費用較低，已成為目前國內超低排放改造的主流除塵技術之一[7-8]。

配置低低溫電除塵器的煙氣污染物治理工藝流程(不包括濕法脫硫裝置和濕式電除塵器)可分為2種：一種主要適用于回收煙氣余熱用于加熱汽輪機凝結水，主要由煙氣冷卻器、低低溫電除塵器、管路系統(凝結水)、煙溫自適應控制系統和輔助設備等組成；另一種主要適用于回收煙氣余熱用于提高排煙溫度，主要由煙氣冷卻器、低低溫電除塵器、管路系統(循環水)、煙氣再熱器、煙溫自適應控制系統和輔助設備等組成。

國內學者已對低低溫電除塵技術開展了部分研究，胡斌等[9]基于燃煤熱態試驗系統，對低低溫電除塵細顆粒物及SO3脫除性能進行了試驗研究，但未涉及現場的工程實測；王樹民等[10]對三河電廠低低溫電除塵器不同粒徑飛灰樣品的實驗室比電阻進行了測試分析，發現在溫度低于160 ℃時，溫度越低，比電阻越小，但未涉及煙氣中SO3冷凝對飛灰比電阻的影響；壽春暉等[11]基于1 000 MW機組的現場實測數據，初步探討了低低溫狀態下煙氣溫度與除塵效果的關系。國內對于低低溫電除塵技術的適用性、深度提效機理及污染物減排特性尚缺乏系統研究。筆者分析了低低溫電除塵技術對國內近200種煤種的適應性，通過對3個典型低低溫電廠的現場實測及提效分析，對低低溫電除塵技術在國內工程應用時最關注的幾個核心問題進行了系統探討和分析。

1 低低溫電除塵技術的適用性分析

工程上低低溫電除塵器運行時最關注的是低溫腐蝕問題，實際上只要煙氣冷卻器入口有足夠的煙塵質量濃度，以保證冷凝后的SO3吸附在煙塵顆粒表面，即可有效避免硫酸霧腐蝕金屬壁面[7]。相關研究表明：當灰硫比(即qm,D/qm,SO3，煙氣中的煙塵和氣態SO3質量流量之比)大于10時，即不會發生腐蝕，而實際低低溫電除塵器投運時灰硫比一般遠大于100，均未發生低溫腐蝕現象[3]。

灰硫比可表示為煙氣冷卻器入口煙塵質量流量與SO3質量流量的比值，可按式(1)計算。為探討低低溫電除塵技術對國內煤種的適用性，統計國內近200種煤種的收到基灰分及硫分質量分數，并分別利用式(2)和式(3)折算煙氣中煙塵和SO3的質量流量[12]。

(1)

(2)

(3)

式中：qm,D為煙氣冷卻器入口煙塵質量流量，kg/h；qm,g為鍋爐燃料消耗質量流量，kg/h，此處均按250 000 kg/h計；w(Aar)為燃煤收到基灰分質量分數，%，按實際煤種取值；Qnet，ar為燃煤收到基低位發熱量，kJ/kg，此處均按20 000 kJ/kg計；q4為鍋爐機械未完全燃燒熱損失，%，此處均按4%計；αfh為鍋爐排煙帶出的飛灰份額，此處均按90%計；qm,SO3為煙氣冷卻器入口SO3質量流量，kg/h；k1為燃煤收到基硫轉換為SO2的轉換率，%，一般煤粉爐取90%；k3為SO2轉換為SO3的轉換率，%，一般煤粉爐可取1.5%～3%，本文中分別取1.5%、2%和3%進行計算；w(Sar)為燃煤收到基硫質量分數，%，按實際煤種取值。

經式(1)～式(3)計算，國內近200種煤種的收到基灰分和硫分數據以及不同轉換率下的灰硫比計算值如圖1所示。由圖1可知，所有煤種的灰硫比均大于10，且除個別硫分較高的煤種的灰硫比在100以下，其他絕大部分煤種的灰硫比均遠大于100。燃用國內煤種的燃煤機組采用低低溫電除塵技術不會發生低溫腐蝕風險。

圖1 煤種的成分質量分數及不同轉換率下的灰硫比計算值

Fig.1 Ash/sulfur content in coal and dust/ SO3ratio calculated at different conversion rates

值得注意的是，低低溫電除塵技術的提效在很大程度上是因為氣態SO3冷凝后煙氣的調質作用，即其吸附在煙塵表面，改善了煙塵性質，對于灰硫比過大的煤種，可能存在煙塵性質改善幅度相對減小、低低溫電除塵器提效幅度有限等問題。

另外，根據國外工程應用情況并結合國內30多年的選型經驗，在不同煤種條件及電除塵器進口煙塵質量濃度時，對低低溫電除塵器的配置條件不同。如當低低溫電除塵器出口煙塵質量濃度小于15 mg/m3時，電場數量一般應不少于5個；除塵難易性為容易或較容易的煤種，電除塵器所需比集塵面積一般應不小于130 m2/(m3/s)；除塵難易性為一般的煤種，電除塵器所需比集塵面積一般應不小于140 m2/(m3/s)。

2 深度降溫提效機理

與常規電除塵技術相比，低低溫電除塵技術提效顯著，分析其原因為以下幾方面。

2.1 飛灰工況比電阻降低

基于某A電廠660 MW機組設計煤種和校核煤種、B電廠1 000 MW機組和C電廠660 MW機組飛灰成分數據及SO3實測數據(采用控制冷凝法采樣，采用紫外-可見光分光光度計進行硫酸根滴定)?；贐ickelhaupt模型[13]，計算飛灰實驗室比電阻，計算方法如式(4)～式(6)所示。

式中：ρv、ρs、ρvs分別為飛灰體積比電阻、表面比電阻和實驗室比電阻，Ω·cm；w1、w2、w3分別為飛灰中Li+Na、Fe、Mg+Ca的原子質量分數，%；E為電場強度，kV/cm；T為溫度，K；w為水汽質量分數，%。

工況比電阻需考慮飛灰表面沉積的硫酸霧對其比電阻的影響，其修正量可用式(7)表示：

(7)

式中：φ(SO3)為SO3的體積分數。

工況比電阻計算公式為：

(8)

計算飛灰實驗室比電阻和工況比電阻，結果示于圖2。由圖2可知，存在一個溫度使比電阻獲得最大值，低于該溫度時，溫度越低，飛灰實驗室和工況比電阻越小，且因為SO3修正的原因，飛灰工況比電阻低于其實驗室比電阻。

(a) 實驗室比電阻

(b) 工況比電阻

Fig.2 Flue gas temperature vs. laboratory/on-line specific resistance of fly ash

采用便攜式煤灰取樣器在線等速采集120 ℃左右煙氣溫度時的飛灰樣品，采用圓盤法測定飛灰實驗室比電阻，測試方法符合GB/T 16913—2008和JBT 8537—2010的規定，實測結果如圖3(a)中折線圖所示，150 ℃以下時，溫度降低，飛灰實驗室比電阻明顯下降。采用華北電力大學研發的飛灰工況比電阻測試儀(型號為TH2681A)測定不同溫度下飛灰工況比電阻，測試方法符合GB/T 16913—2008的規定，實測結果如圖3(b)所示。根據文獻[3]中公式，4個煤種的煙氣酸露點分別為103 ℃、96 ℃、99 ℃和97 ℃，煙氣運行溫度降低，飛灰工況比電阻明顯下降。

一般煙氣溫度在150 ℃以下時，溫度降低，飛灰實驗室比電阻下降，且鑒于煙氣溫度在酸露點以下，絕大部分的氣態SO3會冷凝成硫酸霧，并黏附到飛灰顆粒表面，可大幅度降低飛灰工況比電阻。

2.2 起暈電壓及擊穿電壓均上升

陳士修等[14]的研究表明，煙氣溫度從200 ℃降低至100 ℃時，電場起暈電壓計算值與實測值分別提高26.77%和14.58%，擊穿電壓計算值與實測值分別提高45.49%和45.51%。當前實際工程應用表明，一般煙氣溫度每降低10 K，電場的擊穿電壓將會上升3%左右。而在低低溫條件下，由于其有效地避免了反電暈，使得擊穿電壓會有更大程度的提升。

2.3 降低煙氣量及煙氣流速

煙氣溫度降低，煙氣量會下降，比集塵面積就會增大，一般煙氣溫度下降10 K，煙氣量便會下降2.5%左右。另外，煙氣量降低還會降低煙氣流速，增加飛灰顆粒在電場的停留時間，這也會提高除塵效率。

2.4 電除塵器入口平均粒徑增大

煙溫低于酸露點后，氣態SO3冷凝形成硫酸霧，硫酸霧具有極強的吸水性，吸附到飛灰表面后一定程度上增加了飛灰的黏性和吸濕性，當飛灰顆粒表面包裹一層酸性液膜時，顆粒表面張力減小，當顆粒間液膜接觸時，表面極易發生“搭橋”而凝并成團。

已有研究通過LSI3320激光粒度儀測得煙氣降溫前后的顆粒粒徑分布，實驗中發現顆粒團聚現象明顯[15]；張緒輝[16]還研究了硫酸液滴對飛灰粒徑分布的影響，初步闡述了煙氣降溫過程中由于SO3凝結等原因使飛灰中細顆粒團聚變大的機理。

筆者采用商業CFD軟件，基于雙流體歐拉坐標系，通過UDF引入顆粒群平衡方程，在不考慮顆粒破碎的情況下模擬顆粒團聚[17-20]，計算公式如下：

(9)

式中:?n(v1,t)為體積v1的顆粒在t時刻的個數濃度分布；β(v1,v2,t)為體積分別為v1和v2的顆粒在t時刻的團聚核函數；vmax、vmin分別為所研究的顆粒體系中顆粒體積的最大值和最小值。

為定性分析顆粒的團聚作用，通過UDF引入湍流團聚+熱團聚核函數[17]，而增濕團聚核函數簡化為常量，取值1×10-11。定義顆粒按粒徑段分為8個區間，且為簡化計算，假設初始分布為單分散體系，分布數據如表1所示。采用分區算法進行求解，計算結果如圖3所示。隨著時間的推移，顆粒團聚現象明顯，小粒徑段顆粒減少，大粒徑段顆粒增加，顆粒平均粒徑逐漸增大，當t=0.6 s以后，顆粒平均粒徑趨于平穩。

(a) 不同時刻粒徑分布點線圖

(b) 不同時刻粒徑分布柱狀圖

(c) 顆粒平均粒徑隨時間的演變

序號平均粒徑/μm體積分數/%個數濃度/(個·m-3)1130002640033200416005800640072008111×1013

為進一步驗證顆粒的團聚現象，采用電子低壓撞擊器(ELPI)測定某A電廠660 MW機組燃用設計煤種時煙氣冷卻器進口和出口的顆粒粒徑分布，采樣槍加熱，并配置旋風切割器和兩級稀釋器，以適應較高煙塵質量濃度的采樣環境。測定結果如圖4所示，與煙氣冷卻器進口相比，出口顆粒的個數濃度在多個粒徑段存在不同程度的降低，如曲線標注位置。但值得注意的是，鑒于ELPI各級撞擊器的分級原理基于慣性分離，在分級過程中存在不同程度的顆粒破碎現象，會干擾測試結果，如有條件，應采用光學儀器進行原位測定。

圖4 煙氣冷卻器進出口顆粒粒徑分布

3 顆粒物及SO3減排特性

3.1 顆粒物減排實測

對某A電廠660 MW機組設計煤種和校核煤種、B電廠1 000 MW機組和C電廠660 MW機組在滿負荷情況下開展煙塵現場實測，采用3012H 型自動煙塵測試儀進行抽氣，配合采樣槍等速采集飛灰樣品，其中低低溫電除塵器(簡稱ESP)進口采用常規煙塵采樣槍，配國產玻璃纖維濾筒，低低溫電除塵器出口采用嶗應1085D型低濃度煙塵多功能取樣槍，配進口石英濾膜，采樣時間應保證采集到足夠多的飛灰樣品，采用天平稱重。經測定，3個電廠煙氣冷卻器投運前后低低溫電除塵器進出口煙塵質量濃度及除塵效率如圖5所示。煙氣溫度從120 ℃或130 ℃降低至90 ℃或95 ℃后，電除塵器出口煙塵質量濃度均明顯下降，除塵效率均明顯提高。其中，A電廠設計煤種及校核煤種除塵效率分別提高0.17和0.02百分點，B電廠和C電廠除塵效率分別提高0.01和0.04百分點，原有除塵效率越低，提效幅度越大。

圖5 低低溫電除塵器總塵減排

為進一步探討低低溫電除塵器對煙塵的減排特性，采用DEKATI生產的PM-10對B電廠1 000 MW機組電除塵器出口的粒徑分布進行測定，測定方法符合DL/T 1520—2016的規定。經測定，煙氣冷卻器投運前后電除塵器出口各粒徑段煙塵的減排情況如圖6所示。各粒徑段煙塵均有不同程度減排，PM1、PM2.5、PM10和TSP(總塵)的減排幅度分別為66.0%、48.3%、33.4%和51.0%。

圖6 B電廠1 000 MW機組電除塵器出口各粒徑段煙塵減排情況

Fig.6 Reduction in PM emission at outlet of LLT-ESP for the 1 000 MW unit in power plant B

3.2 SO3減排實測

在滿負荷情況下對B電廠1 000 MW機組和C電廠660 MW機組開展SO3的現場實測。為提高采樣精度，對GB/T 21508—2008規定的SO3采樣方法進行了適當改進，采用控制冷凝(2級冷凝盤管)+異丙醇冰浴吸收相結合的方法，采樣槍采用ZR-D03A型高溫采樣槍，溶液樣品中的硫酸根采用紫外-可見光分光光度計進行測定。經測定，煙氣冷卻器投運前后，B電廠、C電廠的低低溫電除塵器出口SO3質量濃度如圖7所示，2個電廠的煙氣酸露點分別為99 ℃和97 ℃，煙氣降溫至酸露點以下后，SO3減排明顯，B電廠、C電廠的低低溫電除塵器出口SO3質量濃度降幅分別為87.3%和96.6%。

采用便攜式飛灰取樣器在線等速采集A電廠煙道中飛灰樣品，并收集電除塵器灰斗中的飛灰樣品；采用5E-IRSⅡ紅外測硫儀測定飛灰樣品中的硫元素；采用792 Basic IC離子色譜儀，配IonPac AS14分離柱和IonPac AG14抑制器，測定飛灰樣品中的硫酸根質量分數。經測定，A電廠燃用設計煤種、校核煤種時，煙氣冷卻器投運前后不同位置飛灰樣品中硫元素質量分數及其增加幅度見圖8。設計煤種和校核煤種的煙氣酸露點分別為103 ℃和96 ℃，煙氣溫度降低至酸露點以后，氣態SO3冷凝成酸霧，并吸附在飛灰表面，導致飛灰中硫元素富集增加。由圖9可知，電除塵器進口飛灰、第1電場灰斗收集飛灰、第2電場灰斗收集飛灰中硫元素質量分數均有不同程度增加，其中設計煤種和校核煤種的飛灰中硫元素質量分數增加幅度分別為55.2%～87.5%和 33.3%～85.7%。

圖7 B電廠、C電廠機組電除塵器出口SO3減排數據

Fig.7 Reduction in SO3emission at outlet of LLT-ESP for power plants B and C

(a) 設計煤種(b) 校核煤種

圖8 A電廠飛灰樣品中硫元素質量分數及其增加幅度

Fig.8 Content and increase rate of sulfur element in fly ash of power plant A

(a) 設計煤種(b) 校核煤種

圖9 A電廠飛灰樣品中硫酸根質量分數及其增加幅度

Fig.9 Content and increase rate of sulfuric acid root in fly ash of power plant A

A電廠分別燃用設計煤種、校核煤種時，煙氣冷卻器投運前后不同位置飛灰樣品中硫酸根質量分數及其增加幅度見圖9。電除塵器進口飛灰、第1電場灰斗收集飛灰、第2電場灰斗收集飛灰中硫酸根質量分數均有不同程度增加，其中設計煤種和校核煤種的飛灰樣品中硫酸根質量分數增加幅度分別為33.9%～56.3%和12.0%～22.6%。

4 測試誤差分析及其控制

誤差的存在是普遍和必然的，如何控制和規避誤差，提高測量結果的精確度是本次實驗研究的關鍵?？蓪y試結果的精確度劃分為精密度和準確度兩部分，如圖10所示。

圖10 測試結果精確度示意圖

測量的精密度主要依靠精密度較高的測量儀器來控制，如本次總塵樣品稱重采用0.01 mg天平；低濃度煙塵采樣采用嶗應1085D型低濃度煙塵多功能取樣槍(一體化采樣頭)，并整體稱重；SO3采樣采用ZR-D03A型高溫采樣槍，采樣時槍體溫度加熱至280 ℃；總塵及SO3抽氣泵每年進行質檢及標定。

準確度主要考量的是測試方法，本實驗過程中除嚴格按照相關測試標準操作之外，對某些采樣及測定環節給出了更高的要求。例如：總塵采樣首先過濾材質應選用石英過濾材料，當采用濾筒時，應采用大流量采樣儀，低濃度時采用一體化采樣頭；采樣槍應采用保溫加熱槍，且確保稱重環境恒溫、恒濕、無塵、無風、無振動、無噪聲，并去除靜電影響。同時還開展空白實驗研究，以對測量結果進行評價[21-22]。以煙塵質量濃度較低的B電廠1 000 MW機組和C電廠660 MW機組電除塵器出口實測結果為例，數據評價如圖11所示。實際采樣增重遠超最大空白值的5倍，數據準確度較高。對于SO3采樣，采用自制控制的冷凝(2級冷凝盤管)+異丙醇冰浴吸收相結合的方法，最大限度地提高SO3捕集效率，且不受SO2影響。經測定，不同采集單元捕集的SO3質量濃度比例如圖12所示。由圖12可知，第1級冷凝盤管捕集的SO3質量濃度僅占總量的64%～87%，因此與常規的單級冷凝盤管采樣方法相比，本實驗的數據準確度可大幅提高。

(a) B電廠

(b) C電廠

Fig.11 Evaluation on total outlet dust measurements in power plants B and C

(a) B電廠121 ℃

(b) B電廠95 ℃

(c) C電廠130 ℃

(d) C電廠90 ℃

5 結 論

(1) 統計國內近200種煤種的收到基灰分和硫分數據以及不同轉換率情況下的灰硫比數據，除個別硫分較高的煤種灰硫比在100以下外，其他絕大部分煤種的灰硫比均遠大于100。燃用國內煤種采用低低溫電除塵技術不會發生低溫腐蝕風險。

(2) 理論計算及實測結果表明，低低溫電除塵技術可大幅減小飛灰比電阻，并增大電除塵器進口的飛灰平均粒徑，且提高電場起暈及擊穿電壓，降低煙氣量及煙氣流速，這些變化均可提高電除塵器的除塵效率。

(3) 實測數據表明，與常規煙溫工況相比，采用低低溫電除塵技術后，除塵效率提高了0.01～0.17百分點，各粒徑段顆粒均有不同程度減排，SO3質量濃度降幅高達90%以上。